使用LabVIEW和PXI对望远镜的主反射镜位置调整执行器进行控制

2015-09-21 09:56:05   来源:eefocus   

关键字: LabVIEW  PXI  执行器

挑战: 开发一个电子装置以及嵌入式控制软件,用于对欧洲超大望远镜(European Extremely Large Telescope,E-ELT)中主反射镜的三个位置调整执行器的原型机进行控制和调整, 从而实现以纳米级的精度对90Kg的重物进行位置调整。这将作为未来之量产化电子设计的概念原型。

解决方案: 基于NI PXI平台运行的NI LabVIEW Real - Time和LabVIEW FPGA模块,可以提供灵活的接口来与多种设备通信,并且能够在保证较低的延迟和抖动下实现1 kHz的外部位置控制指令更新率;而对于实现内部定位的数据采样和伺服控制来说,则可实现更高的循环速率。 

作者:
Miguel Núñez - Instituto de Astrofísica de Canarias
Yolanda Martín - Instituto de Astrofísica de Canarias
Marcos Reyes - Instituto de Astrofísica de Canarias
Teodora Viera - Instituto de Astrofísica de Canarias

E-ELT是欧洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)倡议建设的一个直径42米的望远镜,用于为天文学领域的最新研究探索提供支持。该主反射镜由984个镜面组成。如图1所示,每个镜面,可以通过三个位置执行器实时移动,用于对支撑结构因重力、温度、风动等因素所导致的变形进行补偿。西班牙航空系统公司(Compañía Española de Sistemas Aeronauticos,CESA)负责对三个位置执行器原型的机械结构进行设计和开发,而加纳利天体物理学研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias,IAC)则负责对系统中的电子装置、软件和伺服控制进行开发。

执行器开发中最具挑战性的要求包括:达到15mm的行程、支撑90kg的重物、追踪缓坡信号时实现170纳米以下的均方根误差 (root mean square error,RMSE)、1 kHz外部位置控制指令更新率,以及确保极低的延迟和抖动(如图1)。

1.jpg 

执行器机械设计方案分为两个阶段。在粗调阶段:使用无刷电机,实现一个大的调整行程和较粗的分辨率;在微调阶段:使用一个音圈电机,实现高分辨率、高带宽和小调整行程。每个调整阶段都将使用独立的电源设备、反馈传感器和伺服控制器。粗调和微调控制器协调工作,最终实现执行器的位置调整。

电子装置和软件是位于PXI机箱中,用于实现整体协调、外部命令管理、功能调试和伺服控制,运行有实时操作系统的控制器,可以实现极大的灵活性和计算能力。其中,快速微调伺服控制器通过NI PXI - 7842R现场可编程门阵列(FPGA)模块实现;而缓慢的粗调控制器则是通过NI PXIe - 8130控制器实现。此外,该软件设计分为两个部分:执行器的嵌入式控制软件和一个望远镜模拟器,后者可以作为辅助工具,用于模拟望远镜计算机与执行器之间的交互。

执行器软件

执行器控制软件是由位于NI PXIe- 8130实时控制器中的程序模块和位于PXI-7842R FPGA智能数据采集卡中的程序模块组成。实时控制器中的程序模块中含有每个驱动器的具体功能,包括:初始状态检查、状态机、状态字、错误寄存器以及配置参数管理。同时也包含其它任务,包括:通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)收发外部命令来检查FPGA卡的输入;通过CAN或CANopen总线控制无刷电机驱动器,来实现粗调伺服控制;管理用于调试的循环缓冲器并同步接收来自FPGA FIFO的数据,通过UDP/ IP读取传感器的反馈。FPGA卡则实现了SPI从属端的功能,负责微调伺服控制、模拟信号写入和读取,并且通过FIFO将数据传递至实时控制器来实现同步。

望远镜模拟器

为根据要求对位置执行器进行测试,我们开发了另外一个软件,用来模拟望远镜计算机(通过SPI接口与位置执行器通信)。这一计算机扮演着SPI主控器的角色,而执行器则位于SPI从属端。此模拟程序以1 kHz的速率发送数百万个的位置命令,并以1KHz的速率通过SPI总线读取从属端的反应。此外,它还以5kHz的速率从一个安装于机械测试台上的附加外部位置传感器读取数据,用于对位置执行器的内部传感器进行交叉检查。这三个循环都需要以优于200us的精度进行同步,对数据进行二进制格式的存储以用于离线分析。在长为一小时的测试中,所存储的文件将大于100 MB。图2中的图形用户界面显示了命令管理、以及附加外部位置传感器数据的时域和频域同步显示。
[1] [2]
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

推荐阅读

编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0921/article_13221.html
[发表评论]
[加入收藏]
[打印本页]
[关闭窗口]
[返回顶部]
[RSS订阅]
小广播
每日新闻
最热点击
本周热门资源推荐
EEWORLD独家
论坛精华
精选博文